(57)【要約】【課題】エネルギー変換素子並びにその製造及び動作方法を提供する。【解決手段】エネルギー変換素子並びにその製造及び動作方法に係り、該エネルギー変換素子は、複数のドーピング領域を含むモノリシック単結晶シリコン層、単結晶シリコン層に内在し、複数のドーピング領域のうち１つのドーピング領域３０にのみ連結された振動体３２、３４、振動体３２、３４に印加される入力信号が経由するＰＮ接合ダイオード（第１ダイオード）、及び振動体３２、３４から出力される信号が経由するＰＮ接合ダイオード（第２ダイオード）を含み、単結晶シリコン層は、内部に密閉された空間６０を含み、振動体３２、３４は、空間６０に備えられてもよい。【選択図】図１
2013046064.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のドーピング領域を含むモノリシック単結晶シリコン層と、
前記単結晶シリコン層に内在し、前記複数のドーピング領域のうち１つのドーピング領域にのみ連結された振動体と、
前記振動体に印加される入力信号が経由するＰＮ接合ダイオード（第１ダイオード）と、
前記振動体から出力される信号が経由するＰＮ接合ダイオード（第２ダイオード）と、を含むエネルギー変換素子。
【請求項２】
前記単結晶シリコン層は、内部に密閉された空間を含み、前記振動体は、前記空間に備えられることを特徴とする請求項１に記載のエネルギー変換素子。
【請求項３】
前記複数のドーピング領域は、順次に位置する第１ドーピング領域ないし第３ドーピング領域を含み、前記第３ドーピング領域は、前記第１ダイオード及び前記第２ダイオードを形成するｐ型ドーピング領域とｎ型ドーピング領域とを含み、前記第１ダイオード及び前記第２ダイオードと、前記第３ドーピング領域の残りの部分とを分離するためのドーピング領域をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載のエネルギー変換素子。
【請求項４】
前記単結晶シリコン層は、内部に密閉された空間を含み、前記振動体は、前記空間に備えられ、
前記第３ドーピング領域は、前記空間と連結される複数の貫通ホールを含むことを特徴とする請求項３に記載のエネルギー変換素子。
【請求項５】
前記第３ドーピング領域上に、前記複数の貫通ホールを覆う密閉層が備えられることを特徴とする請求項４に記載のエネルギー変換素子。
【請求項６】
前記密閉層は、前記第１ダイオード、前記第２ダイオード、及び前記第１ダイオードと前記第２ダイオードとの間の第３ドーピング領域が露出される、複数のコンタクトホールを含むことを特徴とする請求項５に記載のエネルギー変換素子。
【請求項７】
前記密閉層上に離隔された第１電極ないし第３電極が備わり、前記第１電極ないし第３電極は、それぞれ前記複数のコンタクトホールを介して、前記第１ダイオード、前記第２ダイオード及び前記第３ドーピング領域に連結されたことを特徴とする請求項６に記載のエネルギー変換素子。
【請求項８】
前記第１ドーピング領域ないし第３ドーピング領域において隣接したドーピング領域は、互いに反対型にドーピングされたことを特徴とする請求項３〜７のいずれか１項に記載のエネルギー変換素子。
【請求項９】
前記振動体は、互いに連結された第１振動板及び第２振動板を含むことを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載のエネルギー変換素子。
【請求項１０】
前記振動体は、前記振動体が連結されたドーピング領域と同一型にドーピングされた部分と、前記振動体が連結されていないドーピング領域と同一型にドーピングされた部分と、を含むことを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載のエネルギー変換素子。
【請求項１１】
前記第２振動板は、反対型にドーピングされた２つの部分を含むことを特徴とする請求項９に記載のエネルギー変換素子。
【請求項１２】
前記第１振動板は、複数の貫通ホールを含むことを特徴とする請求項９に記載のエネルギー変換素子。
【請求項１３】
前記第２振動板が対向するドーピング領域と前記振動体は、可変キャパシタを構成することを特徴とする請求項１１に記載のエネルギー変換素子。
【請求項１４】
前記第２振動板と、前記第２振動板が対向するドーピング領域は、常に平行していることを特徴とする請求項１３に記載のエネルギー変換素子。
【請求項１５】
前記振動体表面に固定された分極電荷を有する絶縁層が備わり、エネルギー・ハーベスタとして使われることを特徴とする請求項１〜１４のいずれか１項に記載のエネルギー変換素子。
【請求項１６】
複数のドーピング領域を含むモノリシック単結晶シリコン層と、前記単結晶シリコン層に内在し、前記複数のドーピング領域のうち１つのドーピング領域にのみ連結された振動体と、前記振動体に印加される入力信号が経由するＰＮ接合ダイオード（第１ダイオード）と、前記振動体から出力される信号が経由するＰＮ接合ダイオード（第２ダイオード）と、を含み、
前記振動体を駆動させる段階と、
前記振動体の駆動による出力信号を前記第２ダイオードを介して出力させる段階と、を含むエネルギー変換素子の動作方法。
【請求項１７】
前記振動体を駆動させる段階は、
前記第１ダイオードに入力電圧を印加する段階を含むことを特徴とする請求項１６に記載のエネルギー変換素子の動作方法。
【請求項１８】
前記第１ダイオード及び前記第２ダイオード間のドーピング領域で、前記第１ダイオード及び前記第２ダイオードと電気的に分離された領域に同調信号を印加する段階を含み、前記出力信号を前記入力電圧より高くすることを特徴とする請求項１７に記載のエネルギー変換素子の動作方法。
【請求項１９】
前記振動体は、前記エネルギー変換素子に加えられる力によって駆動され、前記出力信号は、前記力の物理量の測定のためのデータとして使われることを特徴とする請求項１６に記載のエネルギー変換素子の動作方法。
【請求項２０】
前記振動体表面に固定された分極電荷を有する絶縁層が備わり、エネルギー・ハーベスタとして使われることを特徴とする請求項１６に記載のエネルギー変換素子の動作方法。
【請求項２１】
前記単結晶シリコンは、内部に密閉された空間を含み、前記振動体は、前記空間に備わったことを特徴とする請求項１８〜２０のいずれか１項に記載のエネルギー変換素子の動作方法。
【請求項２２】
前記複数のドーピング領域は、順次に位置する第１ドーピング領域ないし第３ドーピング領域を含み、
前記第３ドーピング領域は、前記第１ダイオード及び前記第２ダイオードを形成するｐ型ドーピング領域とｎ型ドーピング領域とを含み、
前記第１ダイオード及び前記第２ダイオードと、前記第３ドーピング領域の残りの部分とを分離するためのドーピング領域をさらに含むことを特徴とする請求項１８〜２０のいずれか１項に記載のエネルギー変換素子の動作方法。
【請求項２３】
前記振動体は、互いに連結された第１振動板及び第２振動板を含むことを特徴とする請求項１６〜２２のいずれか１項に記載のエネルギー変換素子の動作方法。
【請求項２４】
前記振動体は、前記振動体が連結されたドーピング領域と同一型にドーピングされた部分と、前記振動体が連結されていないドーピング領域と同一型にドーピングされた部分と、を含むことを特徴とする請求項１６〜２３のいずれか１項に記載のエネルギー変換素子の動作方法。
【請求項２５】
前記第２振動板は、反対型にドーピングされ、互いに平行した２つの部分を含むことを特徴とする請求項２３に記載のエネルギー変換素子の動作方法。
【請求項２６】
前記第２振動板が対向するドーピング領域と前記振動体は、可変キャパシタを構成することを特徴とする請求項２３に記載のエネルギー変換素子の動作方法。
【請求項２７】
前記第２振動板と、前記第２振動板が対向するドーピング領域は、常に平行していることを特徴とする請求項２６に記載のエネルギー変換素子の動作方法。
【請求項２８】
ｐ型またはｎ型にドーピングされた単結晶の第１シリコン層に、第１酸化領域を形成する段階と、
前記第１シリコン層上に、前記第１シリコン層と反対型にドーピングされた単結晶の第２シリコン層を成長させる段階と、
前記第１酸化領域と連結され、前記第１シリコン層及び第２シリコン層の一部を囲む第２酸化領域を形成し、前記囲まれた第２シリコン層の一部は、前記第２酸化領域上側の前記第２シリコン層と連結されるように形成する段階と、
前記第２シリコン層上に、前記第２シリコン層と反対型にドーピングされた単結晶の第３シリコン層を成長させる段階と、
前記第２酸化領域上側の前記第２シリコン層に、前記第２酸化領域と連結される第３酸化領域を形成し、前記第３酸化領域の一部は、前記第２シリコン層の上部面を酸化させて形成する段階と、
前記第３シリコン層に、前記第３酸化領域と離隔され、前記第３シリコン層の残りの部分と電気的に分離された第１ＰＮ接合ダイオード及び第２ＰＮ接合ダイオードを形成する段階と、
前記第１酸化領域ないし第３酸化領域の酸化物を除去し、前記第２シリコン層にのみ連結され、前記第１シリコン層及び第３シリコン層と離隔された振動体を形成する段階と、
前記酸化物が除去された領域を密封する段階と、を含み、
前記第２シリコン層及び第３シリコン層は、エピタキシャル法で形成するエネルギー変換素子の製造方法。
【請求項２９】
前記第２酸化領域を形成する段階は、
前記第１酸化領域の外側に、前記第１酸化領域より高い位置に、前記第１酸化領域と連結される第２ａ酸化領域を形成する段階と、
前記第１酸化領域の内側に、前記第２ａ酸化領域より高い位置に、前記第１酸化領域と平行し、前記第２ａ酸化領域に連結される第２ｂ酸化領域を形成し、前記第２ｂ酸化領域の中央部分は、非酸化領域として残す段階と、を含むことを特徴とする請求項２８に記載のエネルギー変換素子の製造方法。
【請求項３０】
前記第３酸化領域を形成する段階は、
前記第２シリコン層で、前記第２酸化領域より高い位置に、前記第２酸化領域と連結される第３ａ酸化領域を形成する段階と、
前記第２シリコン層で、前記第３ａ酸化領域より高い位置に、前記第３ａ酸化領域と連結される第３ｂ酸化領域を形成するが、前記第３ｂ酸化領域は、前記第３ａ酸化領域と前記第３シリコン層との間の前記第２シリコン層全部を酸化させて形成する段階と、を含むことを特徴とする請求項２８または請求項２９に記載のエネルギー変換素子の製造方法。
【請求項３１】
前記第３ｂ酸化領域は、前記第３シリコン層に拡張させることを特徴とする請求項３０に記載のエネルギー変換素子の製造方法。
【請求項３２】
前記第１ＰＮ接合ダイオード及び第２ＰＮ接合ダイオードを形成する段階は、
前記第３酸化領域の一側において前記第３シリコン層に、前記第３酸化領域と離隔され、前記第２シリコン層に連結された第１ｎ型ドーピング領域を形成する段階と、
前記第３酸化領域と前記第１ｎ型ドーピング領域との間の前記第３シリコン層に、前記第１ｎ型ドーピング領域と離隔され、前記第２シリコン層に連結される第２ｎ型ドーピング領域を形成し、前記第３酸化領域の他側において前記第３シリコン層に、前記第２ｎ型ドーピング領域を、前記第２シリコン層と連結されるように形成する段階と、
前記第３酸化領域の他側において前記第３シリコン層の前記第２ｎ型ドーピング領域外側に、前記第２ｎ型ドーピング領域、及び前記第２シリコン層に連結されていない第３ｎ型ドーピング領域を形成する段階と、
前記第３酸化領域の一側において前記第３シリコン層に形成された前記第１ｎ型ドーピング領域に、ｐ型ドーピング領域を形成する段階と、を含み、
前記第１ｎ型ドーピング領域と、前記第２ｎ型ドーピング領域は、同時に形成することを特徴とする請求項２８〜３１のいずれか１項に記載のエネルギー変換素子の製造方法。
【請求項３３】
前記振動体を形成する段階は、
前記第３シリコン層に、前記第３酸化領域が露出される貫通ホールを形成する段階と、
前記貫通ホールを介して、前記第１酸化領域ないし第３酸化領域の酸化物を湿式エッチングする段階と、をさらに含むことを特徴とする請求項２８〜３２のいずれか１項に記載のエネルギー変換素子の製造方法。
【請求項３４】
前記第１酸化領域ないし第３酸化領域は、
酸素イオンを注入する段階と、
前記酸素イオンが注入された結果物をアニーリングする段階と、を含んで形成することを特徴とする請求項２８〜３３のいずれか１項に記載のエネルギー変換素子の製造方法。
【請求項３５】
前記密封する段階は、前記第３シリコン層上に、前記貫通ホールを密封する密閉層を形成する段階を含むことを特徴とする請求項３３に記載のエネルギー変換素子の製造方法。
【請求項３６】
前記密閉層に、前記第１ＰＮ接合ダイオード及び第２ＰＮ接合ダイオードが露出され、前記第１ＰＮ接合ダイオード及び第２ＰＮ接合ダイオード間の前記第３シリコン層が露出される、複数のコンタクトホールを形成する段階と、
前記密閉層上に、露出された前記第１ＰＮ接合ダイオードと連結される第１電極、露出された前記第２ＰＮ接合ダイオードと連結される第２電極、及び露出された前記第３シリコン層と連結される第３電極を形成する段階と、をさらに含むことを特徴とする請求項３５に記載のエネルギー変換素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、微小の変換素子に係り、さらに詳細には、エネルギー変換素子並びにその製造及び動作方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
昇圧コンバータ（ｂｏｏｓｔ  ｕｐ  ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）を利用すれば、入力電圧に対して高い利得（ｇａｉｎ）を有する出力電圧を得ることができる。チャージポンプ（ｃｈａｒｇｅ  ｐｕｍｐ）と電圧ダブラ（ｖｏｌｔａｇｅ  ｄｏｕｂｌｅｒ）は、昇圧コンバータとして知られている。
【０００３】
チャージポンプの場合、利得がステージ（ｓｔａｇｅ）数に比例する。従って、高い利得を得るためには、段階的に備わるステージ数を増加させなければならない。
【０００４】
電圧ダブラの場合、相補型のスイッチング信号が必要であるので、スイッチング損失が生じることがある。チャージポンプや電圧ダブラの場合、単位ステージあたりの利得は、２より小さい。
【０００５】
昇圧コンバータは、ＭＥＭＳ（ｍｉｃｒｏ−ｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  ｓｙｓｔｅｍｓ）技術を利用し、回路と共に基板に設けられる。ところで、従来のＣＭＯＳ（ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ  ｍｅｔａｌ−ｏｘｉｄｅ  ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）工程を利用したＭＥＭＳ技術は、ポリ物質（ｐｏｌｙ  ｍａｔｅｒｉａｌ）を適用せざるを得なかったために、物質自体に係わる問題点を有している。併せて、物質と熱プロファイル（ｔｈｅｒｍａｌ  ｐｒｏｆｉｌｅ）とによる応力問題が生じ、パッシベーション（ｐａｓｓｉｖａｔｉｏｎ）の問題が生じうる。
【０００６】
また、従来のＭＥＭＳ素子は、特定の目的に適するように製作される。従って、従来のＭＥＭＳ素子は、決まった用途以外の他の用途に使用し難い。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００７／０２１７１２０号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の一実施形態は、高い利得と信頼性とを有し、多様な用途に使われるエネルギー変換素子を提供するものである。
【０００９】
また、本発明の一実施形態は、このようなエネルギー変換素子の製造方法を提供するものである。
【００１０】
また、本発明の一実施形態は、このようなエネルギー変換素子の動作方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の一実施形態によるエネルギー変換素子は、複数のドーピング領域を含むモノリシック単結晶シリコン層と、前記単結晶シリコン層に内在し、前記複数のドーピング領域のうち１つのドーピング領域にのみ連結された振動体と、前記振動体に印加される入力信号が経由するＰＮ接合ダイオード（第１ダイオード）と、及び前記振動体から出力される信号が経由するＰＮ接合ダイオード（第２ダイオード）と、を含む。
【００１２】
このようなエネルギー変換素子において、前記単結晶シリコン層は、内部に密閉された空間を含み、前記振動体は、前記空間に備えられてもよい。
【００１３】
前記複数のドーピング領域は、順次に位置する第１ドーピング領域ないし第３ドーピング領域を含み、前記第３ドーピング領域は、前記第１ダイオード及び前記第２ダイオードを形成するｐ型ドーピング領域とｎ型ドーピング領域とを含み、前記第１ダイオード及び前記第２ダイオードと、前記第３ドーピング領域の残りの部分とを分離するためのドーピング領域をさらに含んでもよい。
【００１４】
前記第３ドーピング領域は、前記空間と連結される複数の貫通ホールを含んでもよい。
【００１５】
前記第３ドーピング領域上に、前記複数の貫通ホールを覆う密閉層が備えられてもよい。
【００１６】
前記密閉層は、前記第１ダイオード、前記第２ダイオード、及び前記第１ダイオードと前記第２ダイオードとの間の第３ドーピング領域が露出される、複数のコンタクトホールを含んでもよい。
【００１７】
前記密閉層上に離隔された第１電極ないし第３電極が備わり、前記第１電極ないし第３電極は、それぞれ前記複数のコンタクトホールを介して、前記第１ダイオード、前記第２ダイオード及び前記第３ドーピング領域に連結されもする。
【００１８】
前記第１ドーピング領域ないし第３ドーピング領域において隣接したドーピング領域は、互いに反対型にドーピングされたものであってもよい。
【００１９】
前記振動体は、互いに連結された第１振動板及び第２振動板を含んでもよい。
【００２０】
前記振動体は、前記振動体が連結されたドーピング領域と同一型にドーピングされた部分と、前記振動体が連結されていないドーピング領域と同一型にドーピングされた部分と、を含んでもよい。
【００２１】
前記第２振動板は、反対型にドーピングされた２つの部分を含んでもよい。
【００２２】
前記第１振動板は、複数の貫通ホールを含んでもよい。
【００２３】
前記第２振動板が対向するドーピング領域と前記振動体は、可変キャパシタを構成することができる。
【００２４】
前記第２振動板と、前記第２振動板が対向するドーピング領域は、常に平行であってもよい。
【００２５】
本発明の一実施形態によるエネルギー変換素子は、前記振動体表面に固定された分極電荷を有する絶縁層が備わり、エネルギー・ハーベスタ（ｈａｒｖｅｓｔｅｒ）として使われもする。
【００２６】
本発明の一実施形態によるエネルギー変換素子の動作方法は、複数のドーピング領域を含むモノリシック単結晶シリコン層、前記単結晶シリコン層に内在し、前記複数のドーピング領域のうち１つのドーピング領域にのみ連結された振動体、前記振動体に印加される入力信号が経由するＰＮ接合ダイオード（第１ダイオード）、及び前記振動体から出力される信号が経由するＰＮ接合ダイオード（第２ダイオード）を含み、前記振動体を駆動させる段階、及び前記振動体の駆動による出力信号を前記第２ダイオードを介して出力させる段階を含む。
【００２７】
このような動作方法において、前記振動体を駆動させる段階は、前記第１ダイオードに入力電圧を印加する段階を含んでもよい。
【００２８】
前記第１ダイオード及び前記第２ダイオード間のドーピング領域で、前記第１ダイオード及び前記第２ダイオードと電気的に分離された領域に同調信号を印加する段階を含み、前記出力信号を前記入力電圧より上げることができる。
【００２９】
前記振動体は、前記エネルギー変換素子に加えられる力によって駆動され、前記出力信号は、前記力の物理量の測定のためのデータとして使われもする。
【００３０】
前記振動体表面に固定された分極電荷を有する絶縁層が備わり、エネルギー・ハーベスタとして使われもする。
【００３１】
前記単結晶シリコンは、内部に密閉された空間を含み、前記振動体は、前記空間に備えられてもよい。
【００３２】
前記複数のドーピング領域は、順次に位置する第１ドーピング領域ないし第３ドーピング領域を含み、前記第３ドーピング領域は、前記第１ダイオード及び前記第２ダイオードを形成するｐ型ドーピング領域とｎ型ドーピング領域とを含み、前記第１ダイオード及び前記第２ダイオードと、前記第３ドーピング領域の残りの部分とを分離するためのドーピング領域をさらに含んでもよい。
【００３３】
前記振動体は、前記振動体が連結されたドーピング領域と同一型にドーピングされた部分と、前記振動体が連結されていないドーピング領域と同一型にドーピングされた部分と、を含んでもよい。
【００３４】
本発明の一実施形態によるエネルギー変換素子の製造方法は、ｐ型またはｎ型にドーピングされた単結晶の第１シリコン層に、第１酸化領域を形成する段階、前記第１シリコン層上に、前記第１シリコン層と反対型にドーピングされた単結晶の第２シリコン層を成長させる段階、前記第１酸化領域と連結され、前記第１シリコン層及び第２シリコン層の一部を囲む第２酸化領域を形成し、前記囲まれた第２シリコン層の一部は、前記第２酸化領域上側の前記第２シリコン層と連結されるように形成する段階、前記第２シリコン層上に、前記第２シリコン層と反対型にドーピングされた単結晶の第３シリコン層を成長させる段階、前記第２酸化領域上側の前記第２シリコン層に、前記第２酸化領域と連結される第３酸化領域を形成し、前記第３酸化領域の一部は、前記第２シリコン層の上部面を酸化させて形成する段階、前記第３シリコン層に、前記第３酸化領域と離隔され、前記第３シリコン層の残りの部分と電気的に分離された第１ＰＮ接合ダイオード及び第２ＰＮ接合ダイオードを形成する段階、前記第１酸化領域ないし第３酸化領域の酸化物を除去し、前記第２シリコン層にのみ連結され、前記第１シリコン層及び第３シリコン層と離隔された振動体を形成する段階、及び前記酸化物が除去された領域を密封（ｓｅａｌ）する段階を含み、前記第２シリコン層及び第３シリコン層は、エピタキシャル法で形成する。
【００３５】
このような製造方法において、前記第２酸化領域を形成する段階は、前記第１酸化領域の外側に、前記第１酸化領域より高い位置に、前記第１酸化領域と連結される第２ａ酸化領域を形成する段階、及び前記第１酸化領域の内側に、前記第２ａ酸化領域より高い位置に、前記第１酸化領域と平行し、前記第２ａ酸化領域に連結される第２ｂ酸化領域を形成し、前記第２ｂ酸化領域の中央部分は、非酸化領域として残す段階を含んでもよい。
【００３６】
前記第３酸化領域を形成する段階は、前記第２シリコン層で、前記第２酸化領域より高い位置に、前記第２酸化領域と連結される第３ａ酸化領域を形成する段階、及び前記第２シリコン層で、前記第３ａ酸化領域より高い位置に、前記第３ａ酸化領域と連結される第３ｂ酸化領域を形成するが、前記第３ｂ酸化領域は、前記第３ａ酸化領域と前記第３シリコン層との間の前記第２シリコン層全部を酸化させて形成する段階を含んでもよい。
【００３７】
前記第３ｂ酸化領域は、前記第３シリコン層に拡張されてもよい。
【００３８】
前記第１ＰＮ接合ダイオード及び第２ＰＮ接合ダイオードを形成する段階は、前記第３酸化領域の一側において前記第３シリコン層に、前記第３酸化領域と離隔され、前記第２シリコン層に連結された第１ｎ型ドーピング領域を形成する段階、前記第３酸化領域と前記第１ｎ型ドーピング領域との間の前記第３シリコン層に、前記第１ｎ型ドーピング領域と離隔され、前記第２シリコン層に連結される第２ｎ型ドーピング領域を形成し、前記第３酸化領域の他側において前記第３シリコン層に、前記第２ｎ型ドーピング領域を、前記第２シリコン層と連結されるように形成する段階、前記第３酸化領域の他側において前記第３シリコン層の前記第２ｎ型ドーピング領域外側に、前記第２ｎ型ドーピング領域、及び前記第２シリコン層に連結されていない第３ｎ型ドーピング領域を形成する段階、及び前記第３酸化領域の一側において前記第３シリコン層に形成された前記第１ｎ型ドーピング領域に、ｐ型ドーピング領域を形成する段階を含み、前記第１ｎ型ドーピング領域と、前記第２ｎ型ドーピング領域は、同時に形成することができる。
【００３９】
前記振動体を形成する段階は、前記第３シリコン層に、前記第３酸化領域が露出される貫通ホールを形成する段階、及び前記貫通ホールを介して、前記第１酸化領域ないし第３酸化領域の酸化物を湿式エッチングする段階をさらに含んでもよい。
【００４０】
前記第１酸化領域ないし第３酸化領域は、酸素イオンを注入する段階、及び前記酸素イオンが注入された結果物をアニーリングする段階を含んで形成することができる。
【００４１】
前記密封する段階は、前記第３シリコン層上に、前記貫通ホールを密封する密閉層を形成する段階を含んでもよい。
【００４２】
また、前記製造方法は、前記密閉層に、前記第１ＰＮ接合ダイオード及び第２ＰＮ接合ダイオードが露出され、前記第１ＰＮ接合ダイオード及び第２ＰＮ接合ダイオード間の前記第３シリコン層が露出される、複数のコンタクトホールを形成する段階、及び前記密閉層上に、露出された前記第１ＰＮ接合ダイオードと連結される第１電極、露出された前記第２ＰＮ接合ダイオードと連結される第２電極、及び露出された前記第３シリコン層と連結される第３電極を形成する段階をさらに含んでもよい。
【発明の効果】
【００４３】
本発明の一実施形態によるエネルギー変換素子は、単結晶モノリシック三次元構造を有する。従って、素子を構成する要素間に、接合面でも界面などが存在しないため、従来の素子に比べて、高い信頼性を確保することができる。
【００４４】
また、単一基板（単結晶シリコン基板）に、エネルギー変換素子のあらゆる構成要素が形成されるので、材料費を節減することができる。そして、製造工程は、エピタキシャル成長、ドーピング、イオン注入及び熱処理のような単純工程の反復であるから、全体工程を単純化することができ、使用する設備も簡素化することができる。エピタキシャル成長、ドーピング、イオン注入及び熱処理工程は、ＣＭＯＳ工程の補足的な工程であるから、ＣＭＯＳ工程をそのまま適用することができる。
【００４５】
また、エネルギー変換素子は、入力信号と周辺の物理的環境とに合わせて、多様な用途に使われもする。
【００４６】
特に、エネルギー変換素子が昇圧素子として使われる場合、ＰＮ接合キャパシタンスと機械的キャパシタンスとが融合され、高いキャパシタンス比を得ることができるため、高い利得を有するＤＣ（ｄｉｒｅｃｔ  ｃｕｒｒｅｎｔ）昇圧素子になる。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明の一実施形態によるエネルギー変換素子の断面図である。
【図２】図１のエネルギー変換素子の等価回路の一例を示す図である。
【図３】本発明の一実施形態によるエネルギー変換素子において、第２振動板が第１ドーピング領域と接触した瞬間を示した断面図である。
【図４】本発明の一実施形態によるエネルギー変換素子の製造方法を段階別に示した断面図である。
【図５】本発明の一実施形態によるエネルギー変換素子の製造方法を段階別に示した断面図である。
【図６】本発明の一実施形態によるエネルギー変換素子の製造方法を段階別に示した断面図である。
【図７Ａ】本発明の一実施形態によるエネルギー変換素子の製造方法を段階別に示した断面図である。
【図７Ｂ】本発明の一実施形態によるエネルギー変換素子の製造方法を段階別に示した断面図である。
【図８】本発明の一実施形態によるエネルギー変換素子の製造方法を段階別に示した断面図である。
【図９】本発明の一実施形態によるエネルギー変換素子の製造方法を段階別に示した断面図である。
【図１０】本発明の一実施形態によるエネルギー変換素子の製造方法を段階別に示した断面図である。
【図１１】本発明の一実施形態によるエネルギー変換素子の製造方法を段階別に示した断面図である。
【図１２】本発明の一実施形態によるエネルギー変換素子の製造方法を段階別に示した断面図である。
【図１３】本発明の一実施形態によるエネルギー変換素子の製造方法を段階別に示した断面図である。
【図１４】本発明の一実施形態によるエネルギー変換素子の製造方法を段階別に示した断面図である。
【図１５】本発明の一実施形態によるエネルギー変換素子の製造方法を段階別に示した断面図である。
【図１６】本発明の一実施形態によるエネルギー変換素子の製造方法を段階別に示した断面図である。
【図１７】本発明の一実施形態によるエネルギー変換素子が、多様な素子として動作する場合を示した断面図である。
【図１８】本発明の一実施形態によるエネルギー変換素子が、多様な素子として動作する場合を示した断面図である。
【図１９】本発明の一実施形態によるエネルギー変換素子が、多様な素子として動作する場合を示した断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００４８】
以下、本発明の一実施形態によるエネルギー変換素子並びにその製造及び動作方法について、添付された図面を参照して詳細に説明する。この過程で、図面に図示された層や領域の厚みは、明細書の明確性のために誇張されて図示されている。
【００４９】
まず、本発明の一実施形態によるエネルギー変換素子について説明する。
【００５０】
図１を参照すれば、本発明の一実施形態によるエネルギー変換素子（以下、本発明の素子ともいう。）は、モノリシック（ｍｏｎｏｌｉｔｈｉｃ）三次元構造物を含む単一層（ｓｉｎｇｌｅ  ｌａｙｅｒ）であり、各構成部分間には、層と層との間に現れる明確な界面や、層と層とが連結されるときに現れる明確な連結痕跡などを含まない。本発明の素子は、第１ドーピング領域２０、第２ドーピング領域３０、第３ドーピング領域４０、第１密閉層２２及び第２密閉層５０、第１振動板３２及び第２振動板３４、及び所定体積の空間６０を含む。第１ドーピング領域２０の下面に、下部電極板１０が付着されている。第２密閉層５０上に、第１電極ないし第３電極８０，８２，８４が備わる。
【００５１】
第１ドーピング領域２０は、ｐ型ドーピング物質がドーピングされた領域である。第１ドーピング領域２０は、ｐ型ドーピング物質の代わりに、ｎ型ドーピング物質を含んでもよい。第２ドーピング領域３０は、第１ドーピング領域２０上に存在する。第２ドーピング領域３０は、ｎ型ドーピング物質がドーピングされた領域である。第２ドーピング領域３０は、ｎ型ドーピング物質の代わりに、ｐ型ドーピング物質を含んでもよい。第１振動板３２及び第２振動板３４は、第２ドーピング領域３０から拡張されたものである。従って、第１振動板３２及び第２振動板３４は、第２ドーピング領域３０の一部であってもよい。
【００５２】
第１ドーピング領域２０及び第２ドーピング領域３０間に、第１密閉層２２が存在する。第１密閉層２２は、第１ドーピング領域２０及び第２ドーピング領域３０と連結されている。第１密閉層２２は、第１ドーピング領域２０の一部領域上に存在する。第１密閉層２２は、例えば、シリコン酸化物層でありうる。第３ドーピング領域４０は、第２ドーピング領域３０上に存在する。第３ドーピング領域４０の一部は、第２ドーピング領域３０と連結されている。第３ドーピング領域４０は、複数の貫通ホール５２（図１３）を含む。貫通ホール５２は、空間６０と連結される。
【００５３】
第３ドーピング領域４０上に、第２密閉層５０が形成されている。第２密閉層５０は、貫通ホール５２を覆って貫通ホール５２を充填する。第２密閉層５０は、貫通ホール５２の一部だけ充填することができる。第３ドーピング領域４０は、水平に離隔された第４ドーピング領域４２、第５ドーピング領域４４及び第６ドーピング領域４６を含んでもよい。第４ドーピング領域４２、第５ドーピング領域４４及び第６ドーピング領域４６のドーピング物質は、第２ドーピング領域３０のドーピング物質と同一であってもよい。第４ドーピング領域４２及び第５ドーピング領域４４は、第２ドーピング領域３０と連結されている。第６ドーピング領域４６は、第２ドーピング領域３０と離隔されている。第２ドーピング領域３０と第６ドーピング領域４６との間には、第３ドーピング領域４０が存在する。第３ドーピング領域４０と第６ドーピング領域４６は、それぞれｐ型ドーピング物質及びｎ型ドーピング物質がドーピングされたシリコン領域であるから、第３ドーピング領域４０及び第６ドーピング領域４６は、ＰＮ接合ダイオード（以下、第２ダイオード）を構成することができる。
【００５４】
貫通ホール５２は、離隔された第５ドーピング領域４４間に存在する。第４ドーピング領域４２は、下に第２ドーピング領域３０と連結され、その周囲は、第３ドーピング領域４０に囲まれている。第４ドーピング領域４２は、第７ドーピング領域４８を含んでもよい。第７ドーピング領域４８は、第４ドーピング領域４２の内側に存在しうる。第７ドーピング領域４８は、上に第２密閉層５０と接触するが、下と周囲は、第４ドーピング領域４２に囲まれている。第７ドーピング領域４８は、ｐ型ドーピング物質がドーピングされたシリコン領域であってもよい。第４ドーピング領域４２は、ｎ型ドーピング物質がドーピングされたシリコン領域であってもよい。従って、第４ドーピング領域４２及び第７ドーピング領域４８は、ＰＮ接合ダイオード（以下、第１ダイオード）を構成することができる。
【００５５】
第５ドーピング領域４４は、第３ドーピング領域４０において、前記第１ダイオード及び第２ダイオードを分離するための領域である。前記第１ダイオードの順方向は前記第２ダイオードの順方向と反対である。前記第１ダイオード及び第２ダイオードは、第１振動板３２を介して連結される。空間６０は、第１ドーピング領域２０及び第３ドーピング領域４０間に存在する。空間６０は、複数の貫通ホール５２の下に位置しうる。空間６０は、第１振動板３２及び第２振動板３４の振動領域であってもよい。空間６０は、密閉されている。密閉は、第１ドーピング領域２０及び第２ドーピング領域３０、側面の第１密閉層２２及び上部の第２密閉層５０によって行われる。第１振動板３２と第２振動板３４は、連結ピラー３６に連結されている。第１振動板３２は、第２振動板３４上に位置する。第１振動板３２及び第２振動板３４は、１つの単一振動体になってもよい。
【００５６】
本発明の素子の動作前においては、第１振動板３２及び第２振動板３４は、平行である。本発明の素子の動作中においては、第１振動板３２及び第２振動板３４は、空間６０内で振動しうる。第１振動板３２及び第２振動板３４の振動原因は、本発明の素子に印加される電気的信号であってもよく、本発明の素子にモーメンタム（ｍｏｍｅｎｔｕｍ）を与えたり、本発明の素子を加速（ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ）させたりする外部の物理的力や衝撃であってもよい。空間６０で、第１振動板３２が振動するとき、上の第３ドーピング領域４０と接触しないように、第１振動板３２と第３ドーピング領域４０は、十分に離隔されている。第１振動板３２と第２ドーピング領域３０は、水平に同じレベルに位置しうる。第１振動板３２は、第２ドーピング領域３０に連結されている。第１振動板３２は、第２ドーピング領域３０の一部であってもよい。第１振動板３２に、複数の貫通ホール３２ｈが形成されてもよい。
【００５７】
連結ピラー３６は、第１振動板３２と同じ材質であってもよい。第２振動板３４は、水平に第１密閉層２２と同じレベルに位置しうる。第２振動板３４と第１ドーピング領域２０は、離隔されている。本発明の素子動作中、第２振動板３４は、第１ドーピング領域２０と瞬間的に接触しうる。第２振動板３４は、下部層２０ａと、その上に位置する上部層３０ａとを含んでもよい。下部層２０ａと上部層３０ａは、互いに連結された単一体である。下部層２０ａと上部層３０ａは、同一材質であり、ドーピング物質だけ異なる。すなわち、下部層２０ａは、第１ドーピング領域２０と同じ物質であり、例えば、単結晶シリコン層であってもよい。下部層２０ａは、第１ドーピング領域２０と同じドーピング物質でドーピングされている。上部層３０ａは、第２ドーピング領域３０と同じ物質であってもよい。上部層３０ａは、第２ドーピング領域３０と同じドーピング物質でドーピングされている。
【００５８】
第２振動板３４は、このように、第１ドーピング領域２０と同じ材質及びドーピング特性を有する下部層２０ａを有しているため、本発明の素子の動作中、第２振動板３４が第１ドーピング領域２０と接触すれば、瞬間的にＰＮ接合キャパシタが形成され、これにより、大きなキャパシタンスを得ることができる。第３ドーピング領域４０上に形成された第２密閉層５０は、第４ドーピング領域ないし第７ドーピング領域４２，４４，４６，４８を覆う。第２密閉層５０に、複数のコンタクトホールが形成されている。前記複数のコンタクトホールを介して、第６ドーピング領域４６と第７ドーピング領域４８とが露出される。また、前記複数のコンタクトホールを介して、第６ドーピング領域４６に隣接した第５ドーピング領域４４と、貫通ホール５２との間の第３ドーピング領域４０の上部面が露出される。
【００５９】
第２密閉層５０上に、離隔された第１電極ないし第３電極８０，８２，８４が存在する。第１電極８０は、前記コンタクトホールを介して、第７ドーピング領域４８に接触する。第１電極８０を介して、前記本発明の素子に電圧が印加される。第２電極８２は、前記コンタクトホールを介して、第３ドーピング領域４０に接触する。第２電極８２を介して、前記本発明の素子に一定電圧や特定の外部信号が印加される。第３電極８４は、前記コンタクトホールを介して、前記第６ドーピング領域４６に接触する。前記本発明の素子から出力される電圧、例えば、昇圧された電圧は、第３電極８４を介して、外部に出力されてもよい。
【００６０】
図２は、図１のエネルギー変換素子の等価回路の一例を示す図である。
【００６１】
図２でダイオードＤ１は、図１で言及した前記第１ダイオードに該当し、ダイオードＤ２は、前記第２ダイオードに該当する。ダイオードＤ１とＤ２との配列方向は、図２に示した通りである。図１で、第１ドーピング領域ないし第７ドーピング領域２０，３０，４０，４２，４４，４６，４８においてｎ型、ｐ型が反対になった場合（反対型になった場合）、図２でダイオードＤ１，Ｄ２の配列方向は、反対になる。図２で可変キャパシタＣｍは、図１の振動体３２、３４、第１ドーピング領域２０、及びそれら間のギャップからなるキャパシタに該当する。キャパシタＣｌｏａｄは、図１のエネルギー変換素子の外部の負荷（ｌｏａｄ）キャパシタ（図示せず）である。また、図２でＶｉｎは、図１の第１電極８０に印加される電圧を示し、Ｖｃｏｎｔは、図１の第２電極８２に印加される電圧を示す。そしてＶｏｕｔは、図１の第３電極８４を介して外部に出力される電圧を示す。また、図２のＶｃは、図１の振動体３２、３４に印加される電圧を示す。電圧とキャパシタンスは、反比例関係にあって、振動体３２、３４は、キャパシタＣｍの１要素であるから、振動体３２、３４の振動によって、電圧Ｖｃは経時的に変わる。
【００６２】
図２を参照し、図１のエネルギー変換素子の動作について簡略に説明する。
【００６３】
入力電圧Ｖｉｎが印加され、キャパシタＣｍが充電される。このとき、キャパシタＣｍのキャパシタンスが最大値（ｍａｘ）であるとするならば、電荷が一定であるとき、振動体３２、３４の振動によるキャパシタＣｍのキャパシタンスの変化率に比例し、電圧Ｖｃは上昇する。このとき、電圧Ｖｃに対してダイオードＤ１は、逆方向バイアス（ｂｉａｓ）であり、ダイオードＤ２は、順方向バイアスである。従って、キャパシタＣｌｏａｄは、ダイオードＤ２を介して、キャパシタＣｍの電荷（ｃｈａｒｇｅ）で充電され、電圧Ｖｃの電位（ｐｏｔｅｎｔｉａｌ）を有する。このような状況は、振動体３２、３４が振動し、キャパシタＣｍのキャパシタンスが最大値と最小値との間で変化する間に続けて起こる。従って、回路の時定数よりも振動体３２、３４を早く振動させれば、リップル（ｒｉｐｐｌｅ）はあるものの、入力電圧Ｖｉｎより上昇した直流の出力電圧Ｖｏｕｔを得ることができる。出力電圧Ｖｏｕｔは、次の数式１によって表現される。
【００６４】
Ｖｏｕｔ＝［Ｃｍ（ｍａｘ）／Ｃｍ（ｍｉｎ）］Ｖｉｎ  …  （数式１）
数式１でＣｍ（ｍａｘ）は、キャパシタＣｍの最大キャパシタンスを、Ｃｍ（ｍｉｎ）は、キャパシタＣｍの最小キャパシタンスを示す。
【００６５】
一般的なキャパシタのキャパシタンスは、キャパシタを構成する電極の面積に比例し、電極間の間隔に反比例する。これによれば、図１で、第２振動板３４と第１ドーピング領域２０との間のギャップ（ｇａｐ）が最大であるとき、キャパシタＣｍのキャパシタンスは、最小となる。
【００６６】
キャパシタＣｍのキャパシタンスが最大であるときは、図３に示すように、第２振動板３４が、第１ドーピング領域２０と接触する瞬間である。この瞬間に、振動体３２、３４と第１ドーピング領域２０との間にＰＮ接合がなされる。これにより、キャパシタＣｍは、接合キャパシタンスを有する。接合キャパシタンスは、瞬間的に接触した振動体３２、３４と第１ドーピング領域２０とのＰＮ接合に印加される逆方向バイアスの大きさと、ドーピング濃度とによって決定される。前記ドーピング濃度は、前記ＰＮ接合に印加される逆方向バイアス電圧より大きい絶縁破壊電圧（ｂｒｅａｋｄｏｗｎ  ｖｏｌｔａｇｅ）を有するように調節されるので、これにより、キャパシタンスが決定される。このように、接合キャパシタンスを利用すれば、従来の平行板（ｐａｒａｌｌｅｌ  ｐｌａｔｅ）構造のキャパシタで、電極間の間隔を狭めることによっては達成することができない高レベルのキャパシタンス比を得ることができる。これにより、本発明の素子は、従来の場合よりはるかに大きく上昇した電圧を得ることができる。すなわち、従来の場合より、はるかに大きい利得を得ることができる。
【００６７】
図３に示すように、振動体３２、３４が駆動されるとき、曲がる部分は、第１振動板３２であり、第２振動板３４は曲がらず、第１ドーピング領域２０と平行を維持する。第１振動板３２が上に曲がった場合にも、第２振動板３４と第１ドーピング領域２０との平行状態は維持される。これにより、第２振動板３４の駆動によって、第２振動板３４の第１ドーピング領域２０と対向する面全体と、第１ドーピング領域２０との間の間隔は変わってもよい。しかし、第２振動板３４が任意の位置にあるとき、面の各領域に沿って、第１ドーピング領域２０までの間隔が変わることは防止することができる。従って、第２振動板３４が任意の位置にあるとき、その位置で得ることができるキャパシタンスは極大化されうる。
【００６８】
次に、本発明の一実施形態によるエネルギー変換素子の製造方法について、図４ないし図１６を参照して説明する。このとき、図１ないし図３の説明で言及した部材については、同じ参照番号を使用し、その部材に係わる説明は省略している。
【００６９】
図４を参照すれば、ｐ型ドーピング物質でドーピングされた第１シリコン層２００上に、マスクＭ１を形成する。第１シリコン層２００は、単結晶シリコン層であって、与えられた決定方向、例えば、＜１１１＞を有することができる。第１シリコン層２００は、ｐ型ドーピング物質の代わりに、ｎ型ドーピング物質でドーピングされたものであってもよい。マスクＭ１によって、第１シリコン層２００の上部面の露出された領域は制限される。第１シリコン層２００の上部面の露出された領域に、酸素イオン注入を行う（７０）。その後、酸素イオンが注入された第１シリコン層２００をアニーリングする。このようにして、第１シリコン層２００の上部面下に、第１酸化領域７０ａが形成される。第１シリコン層２００の第１酸化領域７０ａと、第１シリコン層２００の上部面との間に存在する部分は、図１で説明した第２振動板３４の下板２０ａに該当する。酸素イオン注入（７０）の条件（例えば、注入エネルギー）とマスクＭ１のパターニングとによって、第１酸化領域７０ａの深さと厚みと広さは、変わってもよい。第１酸化領域７０ａが形成された後、マスクＭ１を除去する。
【００７０】
次に、図５を参照すれば、第１酸化領域７０ａを含む第１シリコン層２００上に、第２シリコン層３００を形成する。第２シリコン層３００は、単結晶シリコン層であってもよい。第２シリコン層３００のドーピングは、第１シリコン層２００と反対型に実施することができる。例えば、第１シリコン層２００がｐ型ドーピング物質でドーピングされた場合、第２シリコン層３００は、ｎ型ドーピング物質でドーピングされてもよい。第２シリコン層３００は、エピタキシャル法で形成される。第２シリコン層３００は、インサイチュ（ｉｎ−ｓｉｔｕ）で形成されてもよく、この過程でドーピングされてもよい。第２シリコン層３００の一部は、図１の振動体３２、３４になる。従って、第２シリコン層３００を形成するときは、それを勘案してその厚みを決定することができる。図５に、第１シリコン層２００及び第２シリコン層３００の境界を図示したが、それは、図示と説明との便宜のためである。第２シリコン層３００は、エピタキシャル法で形成されるので、実質的に、第１シリコン層２００及び第２シリコン層３００間の境界は現れない。従って、第１シリコン層２００及び第２シリコン層３００は、単一体になる。
【００７１】
次に、図６を参照すれば、第２シリコン層３００上に、マスクＭ２を形成する。マスクＭ２は、第１酸化領域７０ａの真上に位置する。マスクＭ２は、第１酸化領域７０ａの内側に形成され、マスクＭ２の周囲に、第１酸化領域７０ａの枠が位置しうる。マスクＭ２が存在する状態で、第２シリコン層３００の上部面に、酸素イオンを注入する（７２）。酸素イオンを注入（７２）した後、その結果物をアニーリングする。その後、マスクＭ２を除去する。前記酸素のイオン注入（７２）と前記アニーリングとにより、離隔された第２酸化領域７２ａが、第１シリコン層２００及び第２シリコン層３００に形成される。第２酸化領域７２ａは、第１酸化領域７０ａより高い位置で、第１酸化領域７０ａ両側に形成される。第２酸化領域７２ａは、第１酸化領域７０ａ外側の第１シリコン層２００の上層部と、第２シリコン層３００の下層部とを含む。第２酸化領域７２ａは、第１酸化領域７０ａのエッジ上に拡張され、第１酸化領域７０ａと接触する。第２酸化領域７２ａの位置は、酸素イオンの注入エネルギーとマスクＭ２のパターニングとによって決定される。第２酸化領域７２ａのシリコン酸化物の一部は、第１密閉層として使われもする。従って、第２酸化領域７２ａは、後ほど実施される湿式エッチングで一部が残るように、第１酸化領域７０ａや、続いて形成される他の酸化領域より厚く形成される。
【００７２】
次に、図７Ａは、図７Ｂの７−７’方向に沿って切断した断面図であり、図７Ｂは、図７Ａを上から見た平面図である。
【００７３】
図７Ａ及び図７Ｂを参照すれば、第２酸化領域７２ａが形成された後、第２シリコン層３００上に、マスクＭ３を形成する。前述のマスクと同様に、マスクＭ３は、例えば、感光膜パターンであってもよい。
【００７４】
マスクＭ３は、第１酸化領域７０ａに対応する第２シリコン層３００の上部面を露出させる。図７Ｂから分かるように、第２シリコン層３００の上部面の露出された領域の真ん中部分は、マスクＭ３で覆われている。マスクＭ３で覆われた第２シリコン層３００の上部面の露出された領域の真ん中部分は、後続工程で、図１で説明した連結ピラー３６になる。このようにマスクＭ３を形成した後、第２シリコン層３００の露出された上部面に、酸素イオンを注入する（７４）。その後、マスクＭ３を除去する。次に、酸素イオンが注入された結果物をアニーリングする。このようにして、第２シリコン層３００内に、第３酸化領域７４ａが形成される。第３酸化領域７４ａは、第２酸化領域７２ａより高い位置に形成される。第３酸化領域７４ａは、第１酸化領域７０ａの上側に位置し、第１酸化領域７０ａの内側に位置する。第３酸化領域７４ａの真ん中領域に、酸化されていない第２シリコン層３００の一部が存在する。従って、第３酸化領域７４ａは、中心に酸化されていない第２シリコン層３００の一部が存在し、この一部を囲む形態となる。第３酸化領域７４ａは、第２酸化領域７２ａと連結される。
【００７５】
次に、図８を参照すれば、第３酸化領域７４ａが内在した第２シリコン層３００上に、第３シリコン層４００を形成する。第３シリコン層４００は、単結晶シリコン層であってもよい。第３シリコン層４００は、第１シリコン層２００と同じタイプのドーピング物質でドーピングされてもよい。第３シリコン層４００は、エピタキシャル法で形成されてもよい。第３シリコン層４００の成長中に、第３シリコン層４００のドーピングがなされてもよい。第３シリコン層４００の形成とドーピングは、インサイチュでなされてもよい。第３シリコン層４００は、エピタキシャル法で形成されるので、第２シリコン層３００から連続的に成長される。従って、第３シリコン層４００は、第２シリコン層３００と単一体で形成され、第２シリコン層３００及び第３シリコン層４００間で、境界面や連結痕跡などは現れない。
【００７６】
次に、図９を参照すれば、第３シリコン層４００上に、第３シリコン層４００の上部面の一部を露出させるマスクＭ４を形成する。マスクＭ４は、感光膜パターンであってもよい。マスクＭ４によって露出された第３シリコン層４００の上部面の一部領域は、第３酸化領域７４ａの真上に形成された第２シリコン層３００の一部領域に対応する。すなわち、マスクＭ４は、第２シリコン層３００において、第３酸化領域７４ａの真上に存在する部分の一部を限定する。
【００７７】
マスクＭ４が形成された状態で、第３シリコン層４００の上部面に酸素イオンを注入する（７６）。注入された酸素イオンは、第３シリコン層４００の上部面の露出された部分を介して、第２シリコン層３００に達し、第３酸化領域７４ａの真上に形成された第２シリコン層３００の一部領域に酸素が注入される。酸素のイオン注入エネルギーを調節することによって、第３酸化領域７４ａの真上に形成された第２シリコン層３００に、酸素イオンが達しうる。酸素イオン注入後、マスクＭ４を除去する。次に、酸素がイオン注入された結果物をアニーリングする。このようにして、第２シリコン層３００の第３酸化領域７４ａの真上に形成された部分の一部に、第４酸化領域７６ａが形成される。第４酸化領域７６ａは、第３酸化領域７４ａに垂直に形成されてもよい。第４酸化領域７６ａは、第３酸化領域７４ａの中心を基準に対称になるように、２ヵ所に形成される。第４酸化領域７６ａは、第３酸化領域７４ａと連結される。第４酸化領域７６ａは、第２シリコン層３００内に形成されるが、第４酸化領域７６ａは、第２シリコン層３００の上部面まで拡張され、第３シリコン層４００と接触するように形成されてもよい。第４酸化領域７６ａは、第３シリコン層４００が形成される前に形成されてもよい。
【００７８】
次に、図１０に示すように、第３シリコン層４００上に、第５酸化領域７８ａが形成される領域を限定するマスクＭ５を形成する。マスクＭ５で限定された領域に、酸素イオンを注入する（７８）。このとき、酸素イオンの注入エネルギーを調節することによって、第５酸化領域７８ａが形成される位置に酸素イオンが達しうる。酸素イオン注入後、マスクＭ５を除去する。次に、酸素がイオン注入された結果物をアニーリングする。このようにして、図１０に図示されているような位置に、第５酸化領域７８ａが形成される。
【００７９】
次に、図１１を参照すれば、第３シリコン層４００に、第４ドーピング領域４２、第５ドーピング領域４４及び第６ドーピング領域４６を形成する。第４ドーピング領域ないし第６ドーピング領域４２，４４，４６は、同じドーピング物質、例えば、ｎ型ドーピング物質をイオン注入した後、拡散のための熱処理を行って形成される。第４ドーピング領域ないし第６ドーピング領域４２，４４，４６がｎ型ドーピング領域であるとき、第４ドーピング領域ないし第６ドーピング領域４２，４４，４６は、それぞれ第１ｎ型ドーピング領域、第２ｎ型ドーピング領域及び第３ｎ型ドーピング領域であると表現することもできる。第４ドーピング領域ないし第６ドーピング領域４２，４４，４６は、互いに離隔されている。第４ドーピング領域４２及び第５ドーピング領域４４は、同時に形成されてもよい。第６ドーピング領域４６は、第４ドーピング領域４２及び第５ドーピング領域４４より前にまたは後に形成されてもよい。第４ドーピング領域４２及び第５ドーピング領域４４は、第２シリコン層３００に連結されるように形成される。第６ドーピング領域４６は、第２シリコン層３００と離隔されるように形成される。第５ドーピング領域４４は、第５酸化領域７８ａを挟んで対向する位置に形成される。すなわち、第５ドーピング領域４４は、第５酸化領域７８ａの周囲に位置する。第４ドーピング領域４２と第６ドーピング領域４６は、第５ドーピング領域４４の外側に位置する。第４ドーピング領域４２は、図面上で第５ドーピング領域４４の左側（一側）に、第６ドーピング領域４６は、第５ドーピング領域４４の右側（他側）にそれぞれ位置する。第４ドーピング領域４２及び第５ドーピング領域４４は、第２シリコン層３００から延び、第３シリコン層４００の上部面まで至ってもよい。
【００８０】
図１２を参照すれば、第４ドーピング領域４２に、第７ドーピング領域４８を形成する。第７ドーピング領域４８は、第４ドーピング領域４２の一部にドーピング物質、例えば、ｐ型ドーピング物質をイオン注入し、拡散のための熱処理を行って形成することができる。第７ドーピング領域４８は、第４ドーピング領域４２周囲の領域と離隔される。第７ドーピング領域４８の上部面は、第３シリコン層４００の上部面の一部になってもよい。第４ドーピング領域４２及び第７ドーピング領域４８は、反対型のドーピング物質でドーピングされた領域である。第２シリコン層３００と第４ドーピング領域４２は、同じドーピング物質を有する単結晶シリコン層である。従って、第４ドーピング領域４２及び第７ドーピング領域４８は、ＰＮダイオードを形成することができる。また、第６ドーピング領域４６は、ｐ型にドーピングされたシリコン層を含み、第６ドーピング領域４６の周囲は、ｎ型にドーピングされた第３シリコン層４００であるから、第６ドーピング領域４６と、その周囲の第３シリコン層４００は、ＰＮダイオードを形成することができる。第５ドーピング領域４４は、第３シリコン層４００において、前記２個のＰＮ接合ダイオードを分離するために形成された領域であってもよい。
【００８１】
次に、図１３を参照すれば、第５ドーピング領域４４の内側、すなわち、第５酸化領域７８ａ上に形成された第３シリコン層４００に、複数の貫通ホール５２を形成する。貫通ホール５２を介して、第５酸化領域７８ａの一部が露出される。次に、貫通ホール５２を介して、第１酸化領域ないし第５酸化領域７０ａ，７２ａ，７４ａ，７６ａ，７８ａのシリコン酸化物を除去する。この結果、図１４に示すように、第１酸化領域ないし第５酸化領域７０ａ，７２ａ，７４ａ，７６ａ，７８ａの位置に、１つの空間６０が形成される。第１酸化領域ないし第５酸化領域７０ａ，７２ａ，７４ａ，７６ａ，７８ａのシリコン酸化物は、図１３の結果物を湿式エッチングして除去することができる。例えば、第１酸化領域ないし第５酸化領域７０ａ，７２ａ，７４ａ，７６ａ，７８ａのシリコン酸化物は、図１３の結果物を、フッ化水素酸（ＨＦ）溶液のようなシリコン酸化物に対するエッチング選択比の高い湿式エッチャント（ｅｔｃｈａｎｔ）が充填された容器に所定時間浸漬することによって除去される。
【００８２】
図１４を参照すれば、空間６０が形成された後、貫通ホール５２は、空間６０の入口となる。そして、空間６０内に、第１酸化領域ないし第５酸化領域７０ａ，７２ａ，７４ａ，７６ａ，７８ａで囲まれた、下部層２０ａに対応する第１シリコン層２００の一部と、第１振動板３２、第２振動板３４及び連結ピラー３６に対応する第２シリコン層３００の一部を含む振動体３２、３４が形成される。振動体３２、３４は、第１振動板３２と第２振動板３４とを含む。第１振動板３２及び第２振動板３４については、図１で説明したため、説明は省略する。
【００８３】
図１３の結果物を湿式エッチングする間、他の酸化領域７０ａ，７４ａ，７６ａ，７８ａに比べて、相対的に厚みが大きい第２酸化領域７２ａのシリコン酸化物は、他の酸化領域７０ａ，７４ａ，７６ａ，７８ａのシリコン酸化物が除去された後にも一部残るが、完全に除去することもできる。前記湿式エッチング後、第２酸化領域７２ａの一部が残った場合、それは、第１密閉層として使われてもよい。前記湿式エッチングで、第２酸化領域７２ａを完全に除去する場合には、後続の密封工程で、第２酸化領域７２ａが除去された部分の入口を密封してもよい。
【００８４】
図１５を参照すれば、第３シリコン層４００上に、貫通ホール５２を覆う第２密閉層５０を形成する。第２密閉層５０は、ゼロレベル真空密封（ｚｅｒｏ  ｌｅｖｅｌ  ｖａｃｕｕｍ  ｓｅａｌ）方式で形成することができる。第２密閉層５０は、例えば、シリコン酸化物層またはシリコン窒化物層で形成することができる。第２密閉層５０を形成するとき、貫通ホール５２を充填することができる。第２密閉層５０を形成した後、第２密閉層５０に、複数のコンタクトホール５０ｈ１，５０ｈ２，５０ｈ３を形成する。第１コンタクトホール５０ｈ１を介して、第７ドーピング領域４８が露出される。第２コンタクトホール５０ｈ２を介して、第５ドーピング領域４４内側の第３シリコン層４００の一部が露出される。第３コンタクトホール５０ｈ３を介して、第６ドーピング領域４６が露出される。
【００８５】
次に、図１６を参照すれば、第２密閉層５０上に、互いに離隔された第１電極ないし第３電極８０，８２，８４を形成する。そして、第１シリコン層２００の下面に、下部電極１０を形成する。第１電極８０は、第１コンタクトホール５０ｈ１を充填し、第７ドーピング領域４８に接触する。第２電極８２は、第２コンタクトホール５０ｈ２を充填して第３シリコン層４００に接触する。第３電極８４は、第３コンタクトホール５０ｈ３を充填して第６ドーピング領域４６に接触する。このようにして、エネルギー変換素子が形成される。
【００８６】
次に、本発明の一実施形態によるエネルギー変換素子の駆動方法について説明する。この説明により、本発明の素子が多様な用途に使われるということが分かる。
【００８７】
図１７は、本発明の一実施例によるエネルギー変換素子を、昇圧変換器（ｂｏｏｓｔｕｐ  ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）として使用する場合を示している。
【００８８】
図１７を参照すれば、第１電極８０に入力電圧Ｖｉｎを印加し、第２電極８２に同調信号（ｒｅｓｏｎａｔｉｎｇ  ｓｉｇｎａｌ）を印加すれば、振動体３２、３４の駆動によるキャパシタンスの変化率に比例する出力電圧Ｖｏｕｔを得ることができる。図１７のコンバータの場合、スイッチが不要であり、キャパシタンスの変化率によって、利得が数十デシベルに達するＤＣ（ｄｉｒｅｃｔ  ｃｕｒｒｅｎｔ）変換器になる。
【００８９】
図１８は、本発明の一実施形態によるエネルギー変換素子が、物理的センサ（ｐｈｙｓｉｃａｌ  ｓｅｎｓｏｒ）として使われる場合を示している。
【００９０】
図１８を参照すれば、本発明の一実施形態によるエネルギー変換素子において、第１電極８０に入力電圧Ｖｉｎを印加した状態で、前記エネルギー変換素子にモーメンタムを付与したり、あるいは前記エネルギー変換素子を加速させたりする外部の力が、前記エネルギー変換素子に作用すれば、経時的なキャパシタンスの変化を得ることができる。これにより、次の数式２を利用して経時的な出力電圧Ｖｏｕｔを得ることができ、経時的なモーメンタムや加速度を計算することができる。従って、本発明の一実施形態によるエネルギー変換素子は、経時的な物理的変数値を計算するセンサとして使われてもよい。
【００９１】
Ｖｏｕｔ（ｔ）＝［Ｃｍ（ｔ）／Ｃｍ（ｍｉｎ）］Ｖｉｎ  …  （数式２）
図１９は、本発明の一実施形態によるエネルギー変換素子を、エネルギー・ハーベスタ（ｈａｒｖｅｓｔｅｒ）として使用する場合を示している。
【００９２】
図１９を参照すれば、本発明の一実施形態によるエネルギー変換素子が、エネルギー・ハーベスタとして使われる場合、前記エネルギー変換素子における第２振動板３４の表面に誘電層９０がさらに形成される。誘電層９０は、振動体３２、３４の表面全体に形成されてもよい。誘電層９０は、第２密閉層５０が形成される前に形成されてもよい。このとき、誘電層９０は、原子層積層（ａｔｏｍｉｃ  ｌａｙｅｒ  ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法で形成することができる。誘電層９０を形成した後、第１密閉層５０と第１電極ないし第３電極８０，８２，８４とを形成することができる。図１９で誘電層９０は、固定された分極電荷を有することができる。分極電荷は、前記エネルギー変換素子の外部から電圧を印加する方法などで発生させることができる。このように、誘電層９０に固定された分極電荷が存在する状態で、図１９の素子に運動量を与えれば、次の数式３によって、電気エネルギーが発生する。すなわち、図１９の素子は、外部から加えられる機械的エネルギーを電気エネルギーに変換させる。
【００９３】
Ｖｏｕｔ（ｔ）＝Ｑｆｉｘ／Ｃ（ｔ）  …  （数式３）
数式３でＱｆｉｘは、誘電層９０に発生した固定電荷量を示す。
【００９４】
上記の説明では、多くの事項が具体的に記載されているが、それらは発明の範囲を限定するものではなく、望ましい実施形態の例示として解釈されなければならない。よって、本発明の範囲は、説明した実施形態によって定められるのではなく、特許請求の範囲に記載された技術的思想によって定められるものである。
【産業上の利用可能性】
【００９５】
本発明のエネルギー変換素子並びにその製造及び動作方法は、例えば、電力節電関連の技術分野に効果的に適用可能である。
【符号の説明】
【００９６】
１０  下部電極板、
２０  第１ドーピング領域、
２０ａ  下部層、
２２  第１密閉層、
３０  第２ドーピング領域、
３０ａ  上部層、
３２  第１振動板、
３２ｈ，５２  貫通ホール、
３４  第２振動板、
３６  連結ピラー、
４０  第３ドーピング領域、
４２  第４ドーピング領域、
４４  第５ドーピング領域、
４６  第６ドーピング領域、
４８  第７ドーピング領域、
５０  第２密閉層、
５０ｈ１  第１コンタクトホール、
５０ｈ２  第２コンタクトホール、
５０ｈ３  第３コンタクトホール、
６０  空間、
７０，７２，７４，７６，７８  酸素イオン注入、
７０ａ  第１酸化領域、
７２ａ  第２酸化領域、
７４ａ  第３酸化領域、
７６ａ  第４酸化領域、
７８ａ  第５酸化領域、
８０  第１電極、
８２  第２電極、
８４  第３電極、
９０  誘電層、
２００  第１シリコン層、
３００  第２シリコン層、
４００  第３シリコン層、
Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３，Ｍ４  マスク。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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